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热泵系统用R744混合工质特性的研究

张仙平  
【摘要】:HCFC22是目前国内热泵系统中最常用的工质,但HCFC22对环境有危害(ODP=0.05,GWP=1810)。随着环保要求的提高,开始采用替代工质HFC134a、HFC410A和HFC407C等。这些替代工质的ODP为零,但GWP还比较高,国内外在不断探寻更环保的替代工质。自然工质R744(C02)因此重新得到启用,发达国家已进入实用阶段,我国尚未实现商品化。当前使用的R744热泵存在着一些问题,如放热侧压力较高。本课题以R744为基本组分,混入适量其他工质,可望降低系统放热侧压力,并改善热泵循环性能。 根据文献调研,目前对R744混合工质的研究主要集中在(自)复叠式低温制冷和空调系统,R744混合工质用于热泵系统的研究还处在起步阶段,针对这类热泵系统更加深入的理论与试验研究亟待开展。在课题组对R744单一工质热泵系统研究的基础上,围绕R744混合工质第二组分工质的优选与R744混合工质在热泵工况下的系统性能,本课题主要做了以下研究: (1)针对特定供热温度的热泵系统,根据环境性能、安全性能、降低运行压力性能、温度滑移性能等方面的优劣,对适合与R744混合的第二组分工质进行筛选,得出备选组分工质及适合采用的循环方式。基于传热窄点温差,建立混合工质热泵循环的计算模型,对不同R744混合工质亚临界、跨临界循环的工作特性进行计算和分析,综合考虑制热COPh、最优压力、容积制热量、排气温度、易燃易爆性等因素,得出R744和R290为最优的制冷工质组合。 (2)通过对不同配比R744/R290自然混合工质的环境性能、安全性能、温度滑移性能、热力学性能及热泵循环性能的分析,得到合适的质量配比范围为80/20~100/0,并分析过热度和回热器的效果以使热泵系统具有较高的COPh。 (3)设计并建立跨临界循环热泵试验装置,将R744和R290按不同质量配比混合后进行试验研究,探索循环性能随组分工质配比、制冷工质充注量的变化规律,得出不同配比的最佳充注量。最终得到R744/R290混合工质的最优质量配比为95/5,在此最优配比条件下,最优放热侧压力降低,系统COPh提高。试验结果验证了理论分析选择R744/R290自然混合工质的可行性。所得到的试验结果,为R744/R290热泵装置进一步优化和完善提供有益的参考。 (4)针对优选配比95/5的R744/R290混合工质,分别采用理论模拟和试验研究的方法对最优压力的影响因子进行研究。首先建立基本循环热力学模型,分析影响R744/R290混合工质最优放热侧压力的因素,并对模拟结果进行回归分析,得到最优压力和显著影响因子之间的函数关系式,然后通过试验研究验证了气冷器出口制冷工质温度是最优压力的最显著影响因子。


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